20p-WF-5 日本物理学会2005秋季大会シンポジウム「半導体物性研究におけるイメージング計測の現状 」 @同志社大学（ 05.9.20 ） へき開再成長GaAs量子井戸および細線 デバイスの顕微発光イメージング 東京大学 物性研究所、CREST(JST) 吉田正裕、秋山英文 Outline: 1. はじめに -- 半導体ナノ構造の顕微発光イメージング・分光測定 2. 高品質Ｔ型量子細線・量子井戸構造の作製と評価 -- へき開再成長表面･界面制御と顕微発光イメージング 3. GaAs Ｔ型量子細線の光物性とレーザー発振 -- 量子細線中の一次元電子正孔系（励起子）の光物性 -- レーザー発振と利得起源 4. まとめ 半導体ナノ構造の顕微発光イメージング・分光測定 <半導体ナノ構造の物性研究> 物性計測 -- 新奇物理現象の観測と解明 構造の制御と評価 --高品質化、構造不均一低減 空間スケールの決定要因 ・キャリア拡散 ・結晶成長時の表面 原子の拡散 <ローカルプローブ計測法> カソードルミネッセンス(CL) 近接場顕微鏡(NSOM) 顕微分光(micro-PL) <特徴> 高空間分解能 ~mm（~光波長） 顕微鏡光学系 顕微鏡対物レンズ 高集光効率 高感度撮像素子（可視、近赤） ２次元画像計測、スペクトログラフ CCD，CMOSセンサー InGaAsセンサー 顕微発光イメージング・分光計測系 励起モード: 一様励起、点励起 検出モード: 発光像 発光スペクトル スペクトログラフ 顕微系 He-Ne Ti:Sa etc. ソリッドイマージョンレンズ(SIL) mag.= x 40 NA= 0.5 T= 4 ~ 300 K 空間分解能 0.65 mm @633nm 0.8 mm @Ti:Sa Yoshita et al. JAP 83, 3777 (1998). 0.4 mm (NAeff>1.0) @Ti:Sa Sasaki et al. JJAP 36, L962 (1997). Yoshita et al. APL 73, 635 (1998). Outline: 1. はじめに -- 半導体ナノ構造の顕微発光イメージング・分光測定 2. 高品質Ｔ型量子細線・量子井戸構造の作製と評価 -- へき開再成長表面･界面制御と顕微発光イ メー ジング 3. GaAs Ｔ型量子細線の光物性とレーザー発振 -- 量子細線中の一次元電子正孔系（励起子）の光物性 -- レーザー発振と利得起源 4. まとめ へき開再成長法 Cleaved-edge overgrowth (CEO) with MBE [110] [001] GaAs substrate (001) MBE Growth 600oC In situ Cleave (110) MBE Growth 490oC L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990). 成長中断アニール法による表面平坦化 High Quality T-wire 表面AFM像 o 490 C Growth o 600 C Anneal (110) arm well Atomically flat interfaces (001) stem well M. Yoshita et al., JJAP 40, L252 (2001). 成長中断アニール法による界面制御 アニール 600C, 10 min. GaAs厚(nominal) 6nm (=30 ML) 原子平坦 2~3ML高 島構造 Ga flux分布 1 %/mm 1ML深 ピット構造 M. Yoshita et al., APL 81, 49 2002. (110)量子井戸の表面AFM像と発光像 アニール表面 量子井戸の発光像（一様励起） 非常に良い一致 1. アニール表面が井戸界面に保存されている。 2. へき開面は原子平坦である。 Yoshita et al. APL 81, 49 (2002). エネルギー分解発光像 2~3ML-high islands n n+2 n+2 1ML-deep pits n n+1 n n n n+1 励起子拡散長 ＞ 1 mm !! (110)GaAs量子井戸の発光線幅 狭い発光線幅 発光強度の劣化なし アニール（600C,10分）による 界面ラフネスの減少 これまでのarm QW Outline: 1. はじめに -- 半導体ナノ構造の顕微発光イメージング・分光測定 2. 高品質Ｔ型量子細線・量子井戸構造の作製と評価 -- へき開再成長表面･界面制御と顕微発光イメー ジング 3. GaAs Ｔ型量子細線の光物性とレーザー発振 -- 量子細線中の一次元電子正孔系（励起子）の 光物性 -- レーザー発振と利得起源 4. まとめ 単一Ｔ型量子細線レーザー Probability of Photon Cavity length 500 mm G=4.6x10-4 Probability of Electron Hayamizu et al., APL 81, 4937 (2002). 空間分解顕微PLスペクトル T-wire stem well T-wire stem well scan T=5K Continuous PL peak over 20 mm PL width < 1.3 meV 発光励起スペクトル（PLE） E-field E-field // to wire _I to wire // to arm well Stokesシフト < 0.3 meV バンド端吸収に1D状態密度の1/√E発散は見られない。 H. Akiyama et al., APL 82, 379 (2003). H. Itoh et al., APL 83, 2043 (2003). 顕微透過吸収測定セットアップ 単一量子細線の透過スペクトル（５Ｋ） Fabry-Perot fringes 顕微透過測定 Coupling efficiency = 20% Y. Takahashi et al. APL 86, 243101 (2005). 単一量子細線の吸収スペクトル（５Ｋ） 一次元励起子吸収 吸収線幅 1.6 meV 吸収係数 80 cm-1 透過率1.5%相当 @ 500mm導波路 G=4.6x10-4 Y. Takahashi et al. APL 86, 243101 (2005). 室温吸収スペクトル（20周期量子細線） 一次元励起子吸収 大きな吸収, 線幅7~8 meV（全幅） 大きな偏光依存性 T=297K Y. Takahashi et al. submitted. 500mm gold-coated cavity 単一量子細線のレーザー発振 Threshold 5mW Y. Hayamizu et al., APL 81, 4937 (2002). レーザー端面からの 発光・発振パターン 導波路モード（計算） （20周期細線レーザー） Wire Arm Stem 発光像 （弱励起） レーザー発振像 （強励起） レーザー発振スペクトルと発光スペクトル Single wire laser レーザー発振ピーク 自由励起子発光ピークと 重ならない。 レーザー発振起源は 自由励起子ではない。 発振ピーク ブロード発光の裾と重なる。 Free exciton 起源は？ Y. Hayamizu et al. APL 81, 4937 (2002). 量子細線発光の励起 強度依存性 スペクトログラフ法 励起光 スポット ・分光器入射スリット 上に試料像を結像 ・試料配置 細線 // 分光器スリット 量子細線発光の励起 強度依存性 Density n1D = 1.2 x 106 cm-1 aB ~13nm (rs = 0.65 aB) Electron-hole plasma n1D = 1.2 x 105 cm-1 (rs = 6.6 aB) Biexciton+Exciton EB =2.8meV n1D = 3.6 x 103 cm-1 (rs = 220 aB) Exciton n1D ~ 102 cm-1 M. Yoshita, et al. cond-mat/0402526 吸収・利得スペクトル（強励起） Excitation Light ：cw TiS laser at 1.631eV Absorption Gain EBE EFE Cassidy’s Method Spectrometer with spectral resolution of 0.15 meV Spontaneous emission Stripe shape Waveguide Emission 8.3mW Polarization parallel to Arm well D. T. Cassidy JAP 56, 3096 (1984). 吸収・利得スペクトル のキャリア密度依存性 T = 5K 縮退電子正孔プラズマ 1､連続的な吸収スペクトル Fermi Filling 重要 2､励起子ピークの減少 Phase-Space Filling 重要 3､束縛エネルギー 一定 遮蔽効果 重要でない 0 mW 励起子 T = 5K 発光 吸収 電子正孔 プラズマ 縮退電子正孔 プラズマ Fermi Filling ？ 励起子 励起子分子 縮退 非縮退 Phase-Space Filling 0 mW 励起子 励起子 Hayamizu et al. unpublished まとめ 高品質Ｔ型量子細線・量子井戸構造の作製と顕微発光イメー ジング評価 １．成長中断アニール法によるへき開再成長表面･界面の制御 原子平坦界面量子井戸の実現 ２. 高品質なＴ型量子細線の実現 空間均一性 > 20 mm, 発光線幅 < 1.3 meV，Stokesシフト < 0.3 meV. GaAs Ｔ型量子細線の光物性とレーザー発振 ３. Ｔ型量子細線の吸収スペクトル 大きな励起子吸収 吸収係数 80 cm-1、線幅1.6 meV(T=5K) ４. Ｔ型量子細線レーザーからのレーザー発振と発振起源 細線基底状態からのレーザー発振 電子正孔密度増加に伴い、励起子吸収からプラズマ利得への変化 利得の起源は、強いクーロン相互作用を伴った電子正孔プラズマ 共同研究者： Lucent, Bell Labs. Loren Pfeiffer Ken West MBE結晶成長 東京大学 物性研究所 CREST(JST) 呉 智元(PD→帰国） 早水 裕平(DC→AIST) 高橋 和(D3) 伊藤 弘毅(D2) 顕微光学測定 -- 発光イメージング -- 吸収・利得測定 -- レーザー発振
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